Η DESI δημιουργεί τον μεγαλύτερο τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντος

όργανο φασματοσκοπίας σκοτεινής ενέργειαςDESI) ολοκλήρωσε τους πρώτους επτά μήνες της έρευνάς του καταρρίπτοντας όλα τα προηγούμενα αρχεία τρισδιάστατων ερευνών γαλαξιών, δημιουργώντας τον μεγαλύτερο και πιο λεπτομερή χάρτη του σύμπαντος που έγινε ποτέ. Ωστόσο, πλησιάζει μόνο το 10% της διαδρομής κατά τη διάρκεια της πενταετούς αποστολής του. Μόλις ολοκληρωθεί, αυτός ο εξαιρετικά λεπτομερής τρισδιάστατος χάρτης θα παράγει μια καλύτερη κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας, δίνοντας έτσι στους φυσικούς και τους αστρονόμους μια καλύτερη κατανόηση του παρελθόντος και του μέλλοντος του σύμπαντος. Εν τω μεταξύ, οι εκπληκτικές τεχνικές επιδόσεις και τα κοσμικά επιτεύγματα της έρευνας μέχρι στιγμής βοηθούν τους επιστήμονες να αποκαλύψουν τα μυστικά των πιο ισχυρών πηγών φωτός στο σύμπαν.

Το DESI είναι μια διεθνής επιστημονική συνεργασία που διαχειρίζεται το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Υπουργείου Ενέργειας (Berkeley Laboratory) με χρηματοδότηση εκκίνησης για την κατασκευή και τις λειτουργίες από το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας.

Οι επιστήμονες του DESI παρουσιάζουν την απόδοση του οργάνου και ορισμένα πρώιμα αποτελέσματα αστροφυσικής, αυτή την εβδομάδα σε ένα διαδικτυακό σεμινάριο που φιλοξενείται από το Berkeley Lab με το όνομα CosmoPalooza, το οποίο θα περιλαμβάνει επίσης ενημερώσεις από άλλα πρωτοποριακά κοσμικά πειράματα.

«Υπάρχει πολλή ομορφιά σε αυτό», είπε ο Julian Gay, επιστήμονας του Berkeley Lab, ένας από τους ομιλητές. «Στην κατανομή των γαλαξιών στον τρισδιάστατο χάρτη, υπάρχουν τεράστια σμήνη, νήματα και κενά. Είναι οι μεγαλύτερες δομές στο σύμπαν. Αλλά μέσα σε αυτά, βρίσκεις ένα αποτύπωμα του πολύ πρώιμου σύμπαντος και της ιστορίας της επέκτασής του από τότε.”

Η DESI έχει κάνει πολύ δρόμο για να φτάσει σε αυτό το σημείο. Αρχικά προτάθηκε πριν από περισσότερο από μια δεκαετία και η κατασκευή της συσκευής ξεκίνησε το 2015. Είναι εγκατεστημένη στο τηλεσκόπιο Nicholas U Maywell 4 μέτρων στο Παρατηρητήριο Kate Summit κοντά στο Tucson της Αριζόνα. Το Εθνικό Παρατηρητήριο Kitt Peak είναι ένα πρόγραμμα του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών (NSF) NOIRLab, με το οποίο το Υπουργείο Ενέργειας αναθέτει τη λειτουργία του τηλεσκοπίου Mayall για την έρευνα DESI. Το όργανο είδε το πρώτο του φως στα τέλη του 2019. Στη συνέχεια, κατά τη φάση επικύρωσής του, χτύπησε η πανδημία του κορωνοϊού και το τηλεσκόπιο έκλεισε για αρκετούς μήνες, αν και συνεχίστηκε κάποια απομακρυσμένη εργασία. Τον Δεκέμβριο του 2020, η DESI στράφηκε ξανά στον ουρανό, δοκίμασε το υλικό και το λογισμικό της και μέχρι τον Μάιο του 2021 ήταν έτοιμη να ξεκινήσει την επιστημονική της έρευνα.

Σύρετε τον τρισδιάστατο χάρτη των γαλαξιών από την ολοκληρωμένη έρευνα Sloan Digital Sky.

Ένα κομμάτι στον τρισδιάστατο χάρτη των γαλαξιών από τους πρώτους μήνες της Φασματοσκοπίας Σκοτεινής Ενέργειας (DESI, δεξιά). Η Γη βρίσκεται στο κέντρο και οι πιο μακρινοί γαλαξίες απέχουν από αυτήν περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Κάθε σημείο αντιπροσωπεύει έναν γαλαξία. Αυτό το 2D κομμάτι του χάρτη 3D DESI δείχνει μόνο περίπου 800.000 από τους 7,5 εκατομμύρια γαλαξίες που έχουν σαρωθεί αυτήν τη στιγμή, που από μόνο του είναι μόνο ένα κλάσμα των 35 εκατομμυρίων γαλαξιών που θα βρίσκονται στον τελικό χάρτη. Πίστωση: D. Schlegel/Berkeley Lab χρησιμοποιώντας δεδομένα από το DESI

Αλλά οι εργασίες για το ίδιο το DESI δεν ολοκληρώθηκαν μόλις ξεκίνησε η έρευνα. «Είναι σε εξέλιξη δουλειά για να λειτουργήσει αυτό το εργαλείο», δήλωσε ο φυσικός Klaus Hünscheid, επιστήμονας μηχανών στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, ο οποίος θα παρουσιάσει την πρώτη εργασία από τη συνεδρία CosmoPalooza DESI. Ο Honscheid και η ομάδα του διασφαλίζουν ότι το εργαλείο λειτουργεί ομαλά και αυτόματα, ιδανικά χωρίς παρεμβολές κατά τη νυχτερινή παρακολούθηση. «Τα σχόλια που παίρνω από τους νυχτερινούς παρατηρητές είναι ότι οι βάρδιες είναι βαρετές και το εκλαμβάνω ως κομπλιμέντο», είπε.

Αλλά αυτή η μονότονη απόδοση απαιτεί απίστευτα λεπτομερή έλεγχο καθενός από τα 5.000 εξελιγμένα ρομπότ που τοποθετούν τις οπτικές ίνες στο όργανο DESI, διασφαλίζοντας ότι οι θέσεις τους είναι ακριβείς σε απόσταση 10 μικρών. «Δέκα μικρά είναι πολύ μικρά», είπε ο Χόνσεντ. «Είναι μικρότερο από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Και πρέπει να βάλετε κάθε ρομπότ για να συλλέξει φως από γαλαξίες που απέχουν δισεκατομμύρια έτη φωτός. Κάθε φορά που σκέφτομαι αυτό το σύστημα, αναρωτιέμαι πώς μπορούμε να το πετύχουμε; Η επιτυχία της DESI ως εργαλείου είναι κάτι για το οποίο πρέπει να είμαστε περήφανοι».

Βλέποντας τα αληθινά χρώματα της σκοτεινής ενέργειας

Αυτό το επίπεδο του υγεία Απαιτείται για την εκπλήρωση της πρωταρχικής αποστολής της έρευνας: τη συλλογή λεπτομερών εικόνων χρωματικού φάσματος εκατομμυρίων γαλαξιών σε περισσότερο από το ένα τρίτο ολόκληρου του ουρανού. Διασπώντας το φως από κάθε γαλαξία στο χρωματικό του φάσμα, το DESI μπορεί να ποσοτικοποιήσει την ερυθρή μετατόπιση του φωτός – που εκτείνεται προς το κόκκινο άκρο του φάσματος από τη διαστολή του σύμπαντος στα δισεκατομμύρια χρόνια που ταξίδεψε πριν φτάσει στη Γη. Αυτές οι μετατοπίσεις στο κόκκινο είναι που κάνουν το DESI να δει το βάθος του ουρανού.

Όσο μεγαλύτερη είναι η ερυθρή μετατόπιση του φάσματος του γαλαξία γενικά, τόσο πιο μακριά είναι από αυτόν. Με έναν τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντος στο χέρι, οι φυσικοί μπορούν να χαρτογραφήσουν σμήνη και υπερσμήνη γαλαξιών. Αυτές οι δομές φέρουν την ηχώ του αρχικού τους σχηματισμού, όταν ήταν απλώς κυματισμοί στο βρεφικό σύμπαν. Πυροδοτώντας αυτές τις ηχώ, οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα DESI για να προσδιορίσουν την ιστορία διαστολής του σύμπαντος.

Το νέο κβάζαρ που ανακαλύφθηκε με το DESI δίνει μια ματιά στο σύμπαν όπως ήταν πριν από σχεδόν 13 δισεκατομμύρια χρόνια, λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό είναι το πιο μακρινό κβάζαρ DESI που έχει εντοπιστεί μέχρι στιγμής, από μια επιλογή κβάζαρ DESI εξαιρετικά υψηλής μετατόπισης προς το κόκκινο. Το φόντο δείχνει αυτό το κβάζαρ και το περιβάλλον του στο DESI Legacy Photogrammetry Surveys. Πιστώσεις: Jenny Yang, Steward Observatory/University of Arizona

Ο επιστημονικός μας στόχος είναι να μετρήσουμε το δακτυλικό αποτύπωμα των κυμάτων στο αρχέγονο πλάσμα αίματοςείπε ο Γκάι. «Είναι εκπληκτικό ότι μπορούμε πραγματικά να ανιχνεύσουμε την επίδραση αυτών των κυμάτων μετά από δισεκατομμύρια χρόνια, και τόσο γρήγορα στην έρευνά μας».

Η κατανόηση της ιστορίας της διαστολής είναι ζωτικής σημασίας, καθώς δεν διακυβεύεται τίποτα λιγότερο από τη μοίρα ολόκληρου του σύμπαντος. Σήμερα, περίπου το 70% του περιεχομένου του σύμπαντος είναι σκοτεινή ενέργεια, μια μυστηριώδης μορφή ενέργειας που οδηγεί τη διαστολή του σύμπαντος πιο γρήγορα. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, εμφανίζεται περισσότερη σκοτεινή ενέργεια, επιταχύνοντας περαιτέρω τη διαστολή, σε έναν κύκλο που οδηγεί ένα μέρος της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν προς τα πάνω. Η σκοτεινή ενέργεια θα καθορίσει τελικά τη μοίρα του σύμπαντος: θα επεκτείνεται για πάντα; Θα καταρρεύσει ξανά στον εαυτό του, μέσα η μεγάλη έκρηξη προς τα πίσω? Ή θα σκιστεί; Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις σημαίνει να μάθετε περισσότερα για το πώς συμπεριφερόταν η σκοτεινή ενέργεια στο παρελθόν – και γι’ αυτό ακριβώς σχεδιάστηκε το DESI. Και συγκρίνοντας την ιστορία της επέκτασης με την ιστορία της ανάπτυξης, οι κοσμολόγοι μπορούν να επαληθεύσουν εάν η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν ισχύει σε αυτές τις τεράστιες εκτάσεις του χώρου και του χρόνου.

Μαύρες τρύπες και φωτεινοί γαλαξίες

Αλλά η κατανόηση της μοίρας του σύμπαντος πρέπει να περιμένει έως ότου η DESI ολοκληρώσει περισσότερες έρευνες. Εν τω μεταξύ, το DESI οδηγεί ήδη καινοτομίες στην κατανόησή μας για το μακρινό παρελθόν, περισσότερα από 10 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν οι γαλαξίες ήταν ακόμα νέοι.

«Είναι πραγματικά εκπληκτικό», είπε η Ragadeepika Pucha, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στην αστρονομία που εργάζεται στο DESI. «Η DESI θα μας πει περισσότερα για τη φυσική του σχηματισμού και της εξέλιξης των γαλαξιών».

Η Pucha και οι συνεργάτες της χρησιμοποιούν δεδομένα DESI για να κατανοήσουν τη συμπεριφορά των μαύρων τρυπών μέσης μάζας σε μικρούς γαλαξίες. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι κατοικούν στην καρδιά σχεδόν κάθε μεγάλου γαλαξία, όπως ο δικός μας Γαλαξίας. Αλλά είτε οι μικροί γαλαξίες έχουν πάντα τις δικές τους (μικρότερες) μαύρες τρύπες στους πυρήνες τους. Οι μαύρες τρύπες θα ήταν σχεδόν αδύνατο να βρεθούν από μόνες τους – αλλά αν προσελκύσουν αρκετό υλικό, θα γίνει πιο εύκολο να εντοπιστούν. Όταν πέφτουν αέριο, σκόνη και άλλα υλικά Μαύρη τρύπα Καθώς θερμαίνεται (σε ​​θερμοκρασίες πάνω από τον πυρήνα του αστεριού) στο δρόμο του προς την ενδοχώρα, σχηματίζεται ένας ενεργός γαλαξιακός πυρήνας (AGN). Στους μεγάλους γαλαξίες, οι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες είναι από τα φωτεινότερα αντικείμενα στο γνωστό σύμπαν. Αλλά σε μικρότερους γαλαξίες, τα AGN μπορεί να είναι πολύ πιο αμυδρά και δύσκολο να διακριθούν από τα νεογέννητα αστέρια. Τα φάσματα που καταγράφηκαν από το DESI θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση αυτού του προβλήματος — και πόσο μακριά εξαπλώνονται στον ουρανό θα δώσει περισσότερες πληροφορίες για τους πυρήνες των νεαρών γαλαξιών από ποτέ. Αυτοί οι πυρήνες, με τη σειρά τους, θα δώσουν στους επιστήμονες ενδείξεις για το πώς σχηματίστηκαν τα AGN στο πρώιμο σύμπαν.

Τα κβάζαρ – μια ποικιλόμορφη ομάδα φωτεινών γαλαξιών – είναι από τα φωτεινότερα και πιο μακρινά αντικείμενα. «Μου αρέσει να τους σκέφτομαι ως φανοστάτες, κοιτάζοντας πίσω στην ιστορία του σύμπαντος», είπε η Victoria Fawcett, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στην αστρονομία στο Πανεπιστήμιο Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο. Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικοί ανιχνευτές του πρώιμου σύμπαντος λόγω της απόλυτης ισχύος τους. Τα δεδομένα DESI θα πάνε πίσω στο χρόνο 11 δισεκατομμύρια χρόνια.

Η Fawcett και οι συνεργάτες της χρησιμοποιούν δεδομένα DESI για να κατανοήσουν την εξέλιξη των ίδιων των κβάζαρ. Τα κβάζαρ πιστεύεται ότι αρχίζουν να περιβάλλονται από ένα περίβλημα σκόνης, το οποίο κοκκινίζει το φως που εκπέμπουν, όπως ο ήλιος μέσα από την ομίχλη. Καθώς μεγαλώνουν, διώχνουν αυτή τη σκόνη και γίνονται πιο μπλε. Αλλά αυτή η θεωρία ήταν δύσκολο να δοκιμαστεί, λόγω της έλλειψης δεδομένων για τα κόκκινα κβάζαρ. Το DESI το αλλάζει, καθώς έχουν βρεθεί περισσότερα κβάζαρ από οποιαδήποτε προηγούμενη έρευνα, με 2,4 εκατομμύρια κβάζαρ να αναμένονται στα τελικά δεδομένα της έρευνας.

«Το DESI είναι πραγματικά υπέροχο γιατί μαζεύει πράγματα που είναι πιο αμυδρά και πιο κόκκινα», είπε ο Fawcett. Προσθέτει ότι αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να δοκιμάσουν ιδέες για την εξέλιξη των κβάζαρ που δεν μπορούσαν να δοκιμαστούν πριν. Και αυτό δεν περιορίζεται μόνο στα κβάζαρ. «Βρίσκουμε έναν πολύ μεγάλο αριθμό εξωτικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων μεγάλων δειγμάτων σπάνιων πραγμάτων που δεν μπορέσαμε να μελετήσουμε λεπτομερώς στο παρελθόν», είπε ο Fawcett.

Έρχονται περισσότερα DESI. Η έρευνα έχει ήδη καταγράψει περισσότερους από 7,5 εκατομμύρια γαλαξίες και προσθέτει περισσότερους με ρυθμό πάνω από ένα εκατομμύριο γαλαξίες το μήνα. Μόνο τον Νοέμβριο του 2021, η DESI κατέγραψε τις μετατοπίσεις στο κόκκινο 2,5 εκατομμυρίων γαλαξιών. Μέχρι το τέλος της λειτουργίας του το 2026, το DESI αναμένεται να έχει περισσότερους από 35 εκατομμύρια γαλαξίες στον κατάλογό του, επιτρέποντας μια τεράστια γκάμα ερευνών κοσμολογίας και αστροφυσικής.

“Όλα αυτά τα δεδομένα είναι ακριβώς εκεί και απλά περιμένουν να αναλυθούν”, είπε ο Bucha. “Και τότε θα βρούμε πολλά καταπληκτικά πράγματα για τους γαλαξίες. Για μένα, αυτό είναι συναρπαστικό.”

Το DESI υποστηρίζεται από το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας και το Εθνικό Κέντρο Επιστημονικού Υπολογισμού για την Ενεργειακή Έρευνα, μια εγκατάσταση χρήστη του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας. Πρόσθετη υποστήριξη για το DESI παρέχεται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, το Συμβούλιο Επιστημών και Τεχνολογίας του Ηνωμένου Βασιλείου, το Ίδρυμα Gordon and Betty Moore, το Ίδρυμα Heising-Simons, τη Γαλλική Επιτροπή για την Εναλλακτική και Ατομική Ενέργεια (CEA), την Εθνική Επιστήμη και Τεχνολογικό Συμβούλιο του Μεξικού, Υπουργείο Ισπανικής Οικονομίας, ιδρύματα μέλη του DESI.

Η DESI Collaboration έχει την τιμή να του επιτρέψει να διεξάγει επιστημονική έρευνα στο όρος Iolkam Du’ag (Kitt Peak), ένα βουνό που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το έθνος του Tohono O’odham.